第四章 有机反应中活性中间体

1、第四章第四章 有机反应中的活性中间体有机反应中的活性中间体 Reactive intermediates in Organic Chemistry 一、碳正离子一、碳正离子(Carbocation)二、碳负离子二、碳负离子 (Carbanions)三、自由基三、自由基 (Free radicals)四、碳烯四、碳烯 （卡宾）（卡宾） (Carbenes)五、氮烯五、氮烯 （乃春）（乃春）(Nitrenes)六、苯炔六、苯炔 (Benzyne)引言引言 在有机反应中，有些是属于一步完成的，称为协同反应。在有机反应中，有些是属于一步完成的，称为协同反应。例如例如Diels-Alder反应：反应：C

2、H2HCHCCH2COCOOHCHCCH2CHCHH2CCOCOO+HCHCCH2CHCHH2CCOCOOTransition State 更多的有机反应则不止一步，反应中至少包括一个更多的有机反应则不止一步，反应中至少包括一个活性中活性中间体间体的生成，例如叔卤代烷的水解首先生成碳正离子，然后的生成，例如叔卤代烷的水解首先生成碳正离子，然后与水反应而得到水解产物。与水反应而得到水解产物。CCH3H3CBrCH3OH-H2OCCH3H3CBrCH3-Br-CCH3H3CCH3+Transition stateIntermediateH2OCCH3H3COH2CH3Transition stat

3、eCCH3H3COH2CH3+-H+CCH3H3COHCH3+协同反应的能峰图协同反应的能峰图分步反应的能峰图分步反应的能峰图一一. 正碳离子正碳离子 (Carbocations)含有带正电荷的三价碳原子的原子团。含有带正电荷的三价碳原子的原子团。1. 正碳离子的结构正碳离子的结构CH3CH3CCH3+C sp2 - sbondCH3+ 的轨道结构的轨道结构sp2 - sp3bond(CH3)3C + 的轨道结构的轨道结构HHHsp2杂化杂化平面三角构型平面三角构型空的空的P轨道轨道2. 正碳离子的稳定性：正碳离子的稳定性：CH33CCH32CHCH3CH2CH3- p超共轭效应：超共轭效应：

4、CCHHH轨道交盖在这里轨道交盖在这里空的空的 p 轨道轨道烯丙型正碳离子：烯丙型正碳离子：CH2CH CH2CH2CHCH2p-共轭共轭电子离域电子离域正电荷分散程度大正电荷分散程度大共轭体系的数目越多，正碳离子越稳定：共轭体系的数目越多，正碳离子越稳定：3CCH2CH2CHCH2CHCH2CH2CH共轭效应共轭效应当共轭体系上连有取代基时，当共轭体系上连有取代基时， 给电子基团使正碳离子稳定性增加；给电子基团使正碳离子稳定性增加； 吸电子基团使其稳定性减弱：吸电子基团使其稳定性减弱：O2NCH2CH3CH2CH2C3CH2CH2CH2环丙甲基正离子比苄基正离子还稳定：环丙甲基正离子比苄基正

5、离子还稳定：CH2CH2CH2环丙甲基正离子的结构：环丙甲基正离子的结构：空的空的 p 轨道与弯曲轨道的交盖轨道与弯曲轨道的交盖中心碳原子上的空的中心碳原子上的空的 p 轨道与环丙基中的弯曲轨道与环丙基中的弯曲轨道进行侧面交盖，其轨道进行侧面交盖，其结果是使正电荷分散。结果是使正电荷分散。随着环丙基的数目增多，随着环丙基的数目增多，正碳离子稳定性提高。正碳离子稳定性提高。CC直接与杂原子相连的正碳离子结构：直接与杂原子相连的正碳离子结构：CH3OCH2CH3OCH2氧上未共有电子对所氧上未共有电子对所 占占 p 轨道轨道与中心碳原子上的空的与中心碳原子上的空的 p轨道轨道侧面交盖，未共有电子对

6、离域，侧面交盖，未共有电子对离域，正电荷分散。正电荷分散。类似地，羰基正离子：类似地，羰基正离子：R C OC ORCHRCH乙烯型正碳离子：乙烯型正碳离子：+C原子进行原子进行sp2杂化，杂化， p轨道轨道用于形成用于形成键，空着的是键，空着的是sp2杂化轨道，使正电荷集中。杂化轨道，使正电荷集中。苯基正离子：苯基正离子： 结构同乙烯型正碳离子，正电荷结构同乙烯型正碳离子，正电荷集中在集中在sp2杂化轨道上。杂化轨道上。此二类正碳离子稳定性极差。此二类正碳离子稳定性极差。+溶剂效应：溶剂效应：1) 溶剂的诱导极化作用，溶剂的诱导极化作用，利于底物的解离。利于底物的解离。2) 溶剂使碳正离子稳

7、定：溶剂使碳正离子稳定：CCH3空的空的 p 轨道易于溶剂化轨道易于溶剂化溶剂溶剂3) 极性溶剂：溶剂化作用极性溶剂：溶剂化作用 强，利于底物的解离。强，利于底物的解离。3. 碳正离子的生成：碳正离子的生成：1) 直接离子化直接离子化RXRX 通过化学键的异裂而产生。通过化学键的异裂而产生。PhCHClPhPh2CHClH2OROHHROH2RCH3COFBF3CH3COBF42) 对不饱和键的加成对不饱和键的加成 CZHCZHZ: O,C,S,NHClCCCCClCOHCOHCOH3) 由其它正离子转化而生成由其它正离子转化而生成N2NH2N2NaNO3HClHHPh3CSbF6SbF64)

8、 在超酸中制备在超酸中制备C正离子溶液正离子溶液比比100的的H2SO4的酸性更强的酸超酸的酸性更强的酸超酸 (Super acid)常见的超酸常见的超酸 （与（与100H2SO4的酸性比较）的酸性比较）HSO3F （氟硫酸）（氟硫酸） 1000倍倍HSO3F SbF5 （魔酸）（魔酸） 1013倍倍HFSbF5 1016倍倍叔丁醇在下列条件下完全转变成叔丁基正离子：叔丁醇在下列条件下完全转变成叔丁基正离子：CCH3H3CCH3OHHSO3F - SbF5 - SO2-60CCH3H3CCH3+ H3+O + SO3F- + SbF5 + SO2 很多正碳离子的结构与稳定性的研究都是在超酸介质

9、中很多正碳离子的结构与稳定性的研究都是在超酸介质中进行的。进行的。4. 非经典正碳离子非经典正碳离子1) 键参与的非经典正碳离子键参与的非经典正碳离子实验表明实验表明：反反7原冰片烯基对甲苯磺酸酯在乙酸中的原冰片烯基对甲苯磺酸酯在乙酸中的溶剂解的速度比相应的饱和化合物大溶剂解的速度比相应的饱和化合物大 1011倍倍。TsO-TsOHAcOHAcOHTs = CH3SO2+2电子电子3中心体系中心体系1234572)键参与的非经典碳正碳离子键参与的非经典碳正碳离子外型原冰片醇的对溴苯磺酸酯外型原冰片醇的对溴苯磺酸酯溶剂解溶剂解速度速度相应的内型化合物相应的内型化合物大大350倍倍OBsOAcHO

10、AcHOAcOBs-OBs二二 碳负离子碳负离子 (Carbanions)碳负离子的生成碳负离子的生成1) C-H键键的异裂的异裂 （金属有机化合物的生成）（金属有机化合物的生成）C H + BC + HB共共轭轭酸酸共共轭轭碱碱碳负离子碳负离子带有一对孤对电子的带有一对孤对电子的三价碳原子的原子团。三价碳原子的原子团。CH3COCH2COOEtCH3COCHCOOEtNaOEt2) 负离子对不饱和键的加成负离子对不饱和键的加成OCH3CCHHCH OCH3CHCH2CHOCH3HOCH3C2. 碳负离子的结构碳负离子的结构10928sp3 杂化杂化棱锥型棱锥型C90sp2杂化杂化平面三角型平

11、面三角型. .烷基负碳离子为棱锥型烷基负碳离子为棱锥型, 孤对电子处于孤对电子处于sp3杂化轨道上。杂化轨道上。轨道夹角为轨道夹角为109 28时，电子对间的排斥力小，利于时，电子对间的排斥力小，利于负碳离子稳定。负碳离子稳定。 CO2H O312BuLiC6H12CHCH3IC6H12CHCH3LiC6H12CHCH3COOH光学活性光学活性-70 C 20%光学活性光学活性 0 C 外消旋化外消旋化COOHCLiCH3HC6H13HCCH3HC6H13.CHCH3HC6H13.CO2CCH3HC6H13CCH3HC6H13CO2COOHSRS三元环中的碳负离子三元环中的碳负离子 .选择选择

12、sp3杂化杂化 109o28选择选择sp2杂化杂化120o , 角张力增加角张力增加, 不易转化不易转化CH3HCH3HCH3CO2HLiH1) CO22) H3O+立体定向的顺式产物立体定向的顺式产物3. 影响负碳离子稳定性的因素：影响负碳离子稳定性的因素：1) s-性质效应性质效应CCHCH2CHCH3CH2C-H键中的键中的C的成分越多的成分越多,H越易以质子形式解离越易以质子形式解离CH3OCH2+CH3O-CH2-CH3O-CH2.CH3O=CH2+很稳定很不稳定2) 诱导效应诱导效应 与吸电子基团相连时与吸电子基团相连时,使电荷分散使电荷分散,稳定性增大稳定性增大. CH3-H F

13、3C-H (CF3)3C-H pKa 42 28 11 与推电子基团相连时与推电子基团相连时, 稳定性降低稳定性降低. 稳定性稳定性: CH3- CH3CH2- (CH3)2CH- (CH3)3C-邻近原子有孤电邻近原子有孤电子对时子对时, 碳负离子碳负离子稳定性降低稳定性降低.3) 共轭效应共轭效应R-CH=CH-CH2-CH2- PhCH3 Ph2CH2 Ph3CHpKa 35 32 30与共轭体系相连时使负电荷分散与共轭体系相连时使负电荷分散, 稳定性增加稳定性增加.形成芳香体系形成芳香体系HH-_4n + 2, 芳香性芳香性-C效应的影响效应的影响: OHC-CH2-CHO CH3CO

14、CH2COCH3 NCCH2CN CH3NO2pKa 5 9 11 10如果如果p轨道的对称轴不能平行轨道的对称轴不能平行,则侧面交盖将受影响则侧面交盖将受影响,而不能而不能充分离域充分离域. 例如例如:.-OOOO.-注意注意4) 溶剂效应溶剂效应 Solvent Effect 溶剂对反应速度、化学平衡以及有机反应机理的影响称为溶剂对反应速度、化学平衡以及有机反应机理的影响称为溶剂效应。溶剂效应主要通过溶剂的极性、氢键、酸碱性等溶剂效应。溶剂效应主要通过溶剂的极性、氢键、酸碱性等产生作用。产生作用。 在所有涉及到的离子反应里在所有涉及到的离子反应里, 溶剂对参与的离子的稳定化溶剂对参与的离子

15、的稳定化作用是非常明显的作用是非常明显的. 在没有溶剂的情况下在没有溶剂的情况下, 离子反应在气相离子反应在气相进行需要很高的能量进行需要很高的能量, 在气相更普遍的是按自由基进行的在气相更普遍的是按自由基进行的.例如例如:HCl 在气相解离为自由基只需在气相解离为自由基只需430.95KJ/mol的能量的能量 而解离为离子所需能量高达而解离为离子所需能量高达1393KJ/mol 若在极性溶剂若在极性溶剂(如如H2O) 中中, HCl很容易解离为离子很容易解离为离子. 质子性溶剂质子性溶剂, 能够有效地溶剂化正离子和负离子，因此能能够有效地溶剂化正离子和负离子，因此能促进极性分子形成活性中间体

16、，促进离子型反应。促进极性分子形成活性中间体，促进离子型反应。 溶剂对反应速度的影响取决于溶剂对过渡态及反应物溶剂对反应速度的影响取决于溶剂对过渡态及反应物的作用情况：的作用情况： 若过渡态极性比反应物大，则极性溶剂对过渡态的稳若过渡态极性比反应物大，则极性溶剂对过渡态的稳定化作用大于对反应物的稳定化作用，增加溶剂极性，定化作用大于对反应物的稳定化作用，增加溶剂极性，反应速度加快；反之，溶剂极性减小，反应速度减慢。反应速度加快；反之，溶剂极性减小，反应速度减慢。 极性非质子溶剂极性非质子溶剂: 如如DMSO，DMF，HMPA等等. 能够溶剂化正离子能够溶剂化正离子, 但不能溶剂化负离子但不能溶

17、剂化负离子. 因此因此, 负离子在极性非质子溶剂中将更为活泼负离子在极性非质子溶剂中将更为活泼. 选择不同的溶剂选择不同的溶剂, 往往可以直接影响负离子的活泼性往往可以直接影响负离子的活泼性.例如例如, 甲氧基负离子的碱性甲氧基负离子的碱性, 在极性非质子性溶剂中比在极在极性非质子性溶剂中比在极 性质子溶剂中要强的多性质子溶剂中要强的多: 在在98.5%DMSO和和1.5%的甲醇中进行的甲醇中进行, 比在纯的甲醇中要快比在纯的甲醇中要快108倍倍又如：又如：CH3I和和N3-的的SN2反应，反应， 若将极性质子溶剂换成极性非质子溶剂若将极性质子溶剂换成极性非质子溶剂DMSO， 反应速度增加反应

18、速度增加4.5x104倍。倍。溶剂的介电常数溶剂的介电常数 Dielectric constant 介电常数随分子的介电常数随分子的偶极矩偶极矩和和可极化性可极化性的增大而增大。在化的增大而增大。在化学中，介电常数是溶剂的一个重要性质，表征溶剂对溶质分学中，介电常数是溶剂的一个重要性质，表征溶剂对溶质分子溶剂化以及隔开离子的能力。介电常数大的溶剂，隔开离子溶剂化以及隔开离子的能力。介电常数大的溶剂，隔开离子的能力较大，同时具有较大的溶剂化能力。子的能力较大，同时具有较大的溶剂化能力。介电常数用介电常数用 表示。表示。 15, 15,极性溶剂；极性溶剂；15, (CH (CH3 3) )2 2C

19、H CHCH CH3 3CHCH2 2 CH CH3 3 叔叔 仲仲 伯伯例如例如: 叔碳的烷氧基自由基再进一步分解时叔碳的烷氧基自由基再进一步分解时, 主要生成一个主要生成一个 比较稳定的自由基和一分子酮比较稳定的自由基和一分子酮.自由基的断裂自由基的断裂 b b断裂断裂CH3CH3CH3CH2CO.CH3CH3CH2CO.+ CH3CH3CH3CO + CH3CH2.CH3CH3CCH2CH3O.自由基中心碳原子如与自由基中心碳原子如与 键共轭键共轭,同样可以分散独电子同样可以分散独电子,而而使自由基稳定使自由基稳定. 当苯环上有取代基时当苯环上有取代基时,不论取代基的本性如何不论取代基的

20、本性如何(不论是不论是吸电子基还是给电子基吸电子基还是给电子基), 常常增加自由基的稳定性常常增加自由基的稳定性, 例例如如:.HXPhHPhXProductX-OMe -Me -H -Ph -Br -CN -NO2相相对对速速度度4.01.753.74.0取代基电子效应取代基电子效应芳基自由基芳基自由基, 烯基自由基和炔基自由基烯基自由基和炔基自由基, 由于未成对电子由于未成对电子不可能与不可能与 键共轭键共轭, 所以不稳定所以不稳定, 是很活泼的自由基是很活泼的自由基.反反应应H/kJ.mol-1CH3-CH32CH3.3682Ph.420HCC CCH2 CH C627

21、H2CCHCHCH22CH2CH420Ph-Ph中心原子的杂化状态中心原子的杂化状态3. 自由基的生成自由基的生成由分子产生自由基的方法很多由分子产生自由基的方法很多, 比较重要的有以下比较重要的有以下三种三种:热解热解 在加热的情况下在加热的情况下, 共价键可以发生均裂而产生自由基共价键可以发生均裂而产生自由基.一些键的均裂能一些键的均裂能(kJ/mol)H-H 430 N-N 150 C-H 410F-F 155 C-C 325335 H-I 295Cl-Cl 240 H-S 335 H-Br 365Br-Br 190 C-Cl 325 H-Cl 430I I 150 C-Br 272 H

22、-F 565O-O 140 C-I 240 H-O- 460 .RRRR+ 自由基反应通常以自由基反应通常以过氧化物过氧化物或或偶氮化合物偶氮化合物作为引发剂作为引发剂, 主要是由于分子中含有较弱的键主要是由于分子中含有较弱的键, 容易均裂产生自由基容易均裂产生自由基, 同时又是相同元素的同核键同时又是相同元素的同核键,一般不易异裂产生正一般不易异裂产生正/负离子负离子.常用的自由基引发剂有常用的自由基引发剂有: 过氧化苯甲酰过氧化苯甲酰(BPO)自由基引发剂自由基引发剂.O OCOCO80100 Co2Ph+ 2CO2CCH3CCH3H3CCH3NCCNNN80100 CoCH3CH3CNC

23、CCH3CH3CNNN+偶氮二异丁腈偶氮二异丁腈(AIBN)2) 光照光照在可见和紫外光波段在可见和紫外光波段, 对辐射具有吸收能力的分子对辐射具有吸收能力的分子, 利用光利用光照射可以使之分解而产生自由基照射可以使之分解而产生自由基.Cl : Clh478.5nmCl : Cl*2Cl.Cl+ CH4HCl + CH3CH3+ Cl-ClCH3Cl+.Cl链引发链增长.CH3.CH3+CH3-CH3.Cl.CH3+CH3Cl链终止另一个有用的光解反应是丙酮气相光照分解反应另一个有用的光解反应是丙酮气相光照分解反应其它容易发生光解的反应如次氯酸酯和亚硝酸酯其它容易发生光解的反应如次氯酸酯和亚硝

24、酸酯, 可以产生可以产生烷氧基自由基烷氧基自由基.hCH3H3CH3CCO320nmH3CH3CCO*H3C CO+.CH3+ CO.RO-ClhRO+ClRO-NOh.RO+NO与热解法比较与热解法比较, 光解产生自由基具有明显优点光解产生自由基具有明显优点, 主要为主要为:光解可以分解在通常合理温度下不容易分解或很难分解光解可以分解在通常合理温度下不容易分解或很难分解的强共价键的强共价键, 如偶氮烷类化合物如偶氮烷类化合物:b) 由于一定的官能团具有由于一定的官能团具有特定的吸收带特定的吸收带, 是是特定能量特定能量的转移的转移, 所以光解比热解具有更大的选择性所以光解比热解具有更大的选择

25、性, 副反应比较少副反应比较少.3) 氧化还原反应氧化还原反应 一个电子自旋成对的分子失去或得到一个电子都可导致产一个电子自旋成对的分子失去或得到一个电子都可导致产生自由基生自由基, 实际上就是氧化还原过程实际上就是氧化还原过程, 因此通过氧化还原反应因此通过氧化还原反应也可以产生自由基也可以产生自由基. 某些金属离子某些金属离子, 如如Fe2+/Fe3+, Cu+/Cu2+, Ti2+/Ti3+等是常用的等是常用的产生自由基的氧化还原剂产生自由基的氧化还原剂.例如例如: Cu+离子可以大大加速酰基过氧化物的分解离子可以大大加速酰基过氧化物的分解, 产生酰氧基产生酰氧基 自由基自由基.Ti2+

26、是一个很强电子还原剂是一个很强电子还原剂, 可用于还原过氧化氢生成羟可用于还原过氧化氢生成羟基自由基基自由基生成的羟基自由基是有效的催化剂生成的羟基自由基是有效的催化剂,不但可以用于生成其它不但可以用于生成其它自由基，也可以用于有机合成自由基，也可以用于有机合成.H2CC.CH3CH3OHHOH+H2O +H2CCCH3CH3OH.H2CCCH3CH3OH2H2CCCH3CH3HOH2CCCH3CH3OH.Ti2+ H2O2Ti3+-OH + HO4. 影响自由基稳定性的因素影响自由基稳定性的因素1) 电子效应电子效应 由于超共轭效应的影响，烷基自由基的稳定性次序为由于超共轭效应的影响，烷基自

27、由基的稳定性次序为: 叔叔 仲仲 伯伯 与共轭体系如烯键、苯基、硝基、氰基等相连都可使孤电子与共轭体系如烯键、苯基、硝基、氰基等相连都可使孤电子离域而得到稳定。离域而得到稳定。 取代基对自由基稳定化能力的大小一般有如下次序：取代基对自由基稳定化能力的大小一般有如下次序： 苯基、烯基羰基苯基、烯基羰基腈基酯基烷基腈基酯基烷基 许多酚类化合物在冷的干醚中氧化，可以生成不稳定的酚氧许多酚类化合物在冷的干醚中氧化，可以生成不稳定的酚氧自由基，自由基，2，4，6- 三叔丁基苯酚自由基由于单电子与苯环离域，三叔丁基苯酚自由基由于单电子与苯环离域，又由于有较大的邻位阻效应而表现出是一个非常稳定的自由基，又由

28、于有较大的邻位阻效应而表现出是一个非常稳定的自由基，它可以被离析出来，它可以被离析出来，IR上显示出上显示出1660cm-1的羰基吸收峰。的羰基吸收峰。 OButButBut.OButButBut. 这一自由基能够与不稳定的自由基结合生成稳定的分子，因这一自由基能够与不稳定的自由基结合生成稳定的分子，因此可用于自由基此可用于自由基淬灭剂淬灭剂或或阻聚剂阻聚剂。 2) 空间因素空间因素 叔碳原子自由基的稳定性之所以较大，除了有超共轭电子效叔碳原子自由基的稳定性之所以较大，除了有超共轭电子效应外，空间因素也有一定作用。自由基中心碳原子所连的基团应外，空间因素也有一定作用。自由基中心碳原子所连的基团

29、较大时可以使自由基中心的张力得到一定消除。此外，较大的较大时可以使自由基中心的张力得到一定消除。此外，较大的空间位阻因素也不利于自由基发生反应。双叔丁基甲基自由基空间位阻因素也不利于自由基发生反应。双叔丁基甲基自由基在低温（在低温（-30）无氧的稀溶液中是足够稳定的，这也是空间因）无氧的稀溶液中是足够稳定的，这也是空间因素的影响之故。素的影响之故。 N，N-二苯基二苯基-N-苦味基自由基是一个紫色晶体，由于存在有苦味基自由基是一个紫色晶体，由于存在有庞大的空间位阻，再加上三个硝基的诱导影响，使它可以以庞大的空间位阻，再加上三个硝基的诱导影响，使它可以以固体状态存在并保存数年不变。固体状态存在并

30、保存数年不变。2，2，6，6-四甲基六氢吡啶四甲基六氢吡啶-4-酮氧化氮自由基甚至可以在酮氧化氮自由基甚至可以在分子中的其他部位发生格氏反应而不影响自由基结构。分子中的其他部位发生格氏反应而不影响自由基结构。NOO.NO.ROMgBrRMgBrNNO2O2NO2NPh2N.3) 溶剂效应溶剂效应 溶剂效应对自由基的影响不似对离子那么大，溶剂若能与自溶剂效应对自由基的影响不似对离子那么大，溶剂若能与自由基络合不但会增加它们的稳定性而且会改变它们的某此反应由基络合不但会增加它们的稳定性而且会改变它们的某此反应性质。下列反应：性质。下列反应：CH3CCH3HCCH3HCH3CH3CCH3ClCCH3

31、HCH3CH3CCH3HCCH3HCH2Cl+hvCl2在在C CS S2 2中中反反应应1 10 06 6: :1 1在在苯苯中中反反应应4 49 9: :1 15. 自由基的反应自由基的反应 Free Radical Reactions 与离子型反应相比较，自由基反应常常在中性和较温和的反与离子型反应相比较，自由基反应常常在中性和较温和的反应条件下就能进行应条件下就能进行. 其反应一般有如下几个特点其反应一般有如下几个特点:1）反应常在光或有易于产生自由基物种的催化剂引发下发生。反应常在光或有易于产生自由基物种的催化剂引发下发生。2）反应常有一个诱导期，而溶剂对反应的影响较小，且无论在反应

32、常有一个诱导期，而溶剂对反应的影响较小，且无论在 气相还是液相，自由基均能反应。气相还是液相，自由基均能反应。3）芳环的自由基反应并不服从一般定位规律。芳环的自由基反应并不服从一般定位规律。4）自由基反应在相当一段时间内被认为缺乏选择性，因而难有自由基反应在相当一段时间内被认为缺乏选择性，因而难有 理想的产率，自理想的产率，自20世纪世纪80年代以来，情况有了显著的改变，年代以来，情况有了显著的改变， 应用于有机合成的自由基反应越来越多。应用于有机合成的自由基反应越来越多。1）重排和碎裂反应）重排和碎裂反应 Rearangement and Fragementation 自由基的稳定性比碳正离

33、子小，其重排不如碳正离子容易自由基的稳定性比碳正离子小，其重排不如碳正离子容易发生，但比碳负离子重排容易。发生，但比碳负离子重排容易。 从分子轨道分析，发生从分子轨道分析，发生1，2重排时通过三中心重排时通过三中心过渡态，类似于环丙基的过渡态，类似于环丙基的情况，两个碳的情况，两个碳的P轨道和轨道和迁移基团的迁移基团的P轨道重叠形轨道重叠形成三个分子轨道，其中一成三个分子轨道，其中一个是成键轨道，两个是反个是成键轨道，两个是反键轨道。键轨道。 在有利条件下，如空间因素或重排后有利于单电子的离域在有利条件下，如空间因素或重排后有利于单电子的离域时重排还是可以发生的。例如下面化合物发生自由基反应时

34、时重排还是可以发生的。例如下面化合物发生自由基反应时不同取代基不同取代基R和和R引起重排反应的比例也不同。引起重排反应的比例也不同。.CPhRRCH2.CPhCH2RRR/R:CH3/H Ph/H Ph/Ph重排比例:3963100 易于发生易于发生1，2重排反应的常见取代基有：重排反应的常见取代基有： X, Ph, C=C, OAc等基团。等基团。CClClClCH=CH2.CClClClCHCH2Br.CClClCHCH2BrClCClClCHCH2BrClH.(CH3)2CCH2CHOOAc-H.-CO(CH3)2CCH2.OAc(CH3)2COCH2OCH3(CH3)2CCH2OAc(

35、CH3)2CHCH2OAc自由基的碎裂反应自由基的碎裂反应结构影响：结构影响：CCH3H3CCH3CH2.CH3.+CH3CH3CCH2H = 20Kcal/molCCH3H3CCH3O.CH3.+CH3CH3COH = 5Kcal/molCCH3RCH3O.R.+CH3CH3CO反应速度: R = t-Bu s-Pr Et Ph CH3Driving force: 环张力的解除。环张力的解除。OH3CH3CCH2IOH3CH3CCH2.OCHH3CH3CCH2.RHOHCCHH3CCH3CH2+.CCl3CCl3.CCl3.CCl3ClCCl42）卤素取代反应）卤素取代反应 Halogen

36、Substitution 对于一些不活泼的分子，要引入官能团，通常用自由基卤代对于一些不活泼的分子，要引入官能团，通常用自由基卤代 反应。例如：反应。例如：在所有卤素中，只有在所有卤素中，只有Cl.和和Br.具有适中的活性。具有适中的活性。Br-Brh2Br.Br.+ RHHBr + R.R.+Br-BrBr.+ RBr例如，例如， H Kcal/mol Reaction F Cl Br I X. + CH4 HX + CH3. -32 -1 +15 +33 CH3. + X2 CH3X + X. -70 -23 -21 -18 X 2 + CH4 CH3X + HX -102 -24 -6

37、+15可见，可见，F 的反应是强放热反应，与有机物的反应太剧烈。的反应是强放热反应，与有机物的反应太剧烈。 I 在常温下不能与烷烃反应，只有在较高温度下才能在常温下不能与烷烃反应，只有在较高温度下才能 进行反应。进行反应。比较比较Cl和和Br的夺氢反应，的夺氢反应，Br的选择性比的选择性比Cl高：高：又如：又如：CH2CH340oCBr2CHCH3CH2CH2Br+Br少量Cl2/hCHCH3CH2CH2Cl+Cl 1 : 1CH3卤化与与Br.反反应应时时，甲甲苯苯比比环环己己烷烷快快6 60 0倍倍与与Cl.反反应应时时，环环己己烷烷比比甲甲苯苯快快1 11 1.2 2倍倍其它卤化反应：其

38、它卤化反应： 除卤素进行自由基反应外，还有几种常见的卤化试剂，除卤素进行自由基反应外，还有几种常见的卤化试剂，在有机合成中很有用。在有机合成中很有用。（1）NBS N-溴代丁二酰亚胺溴代丁二酰亚胺（N-Bromo-succinimide)NOOBrhNOO.+ BrCH3NOO.+CH2NOOH.CH2+NOOBrCH2Br+NOO.（2） 次卤酸酯次卤酸酯 (CH3)3COCl） （Walling 试剂）试剂）H3C CCH3CH3. +OClhH3C CCH3CH3O+Cl.H3C CCH3CH3O+RHH3C CCH3CH3OH+RRH3C CCH3CH3OClRCl +.H3C CCH

39、3CH3O（3） 溴三氯甲烷溴三氯甲烷 BrCCl3溴三氯甲烷常用作不饱和化合物的取代。溴三氯甲烷常用作不饱和化合物的取代。.hBrCCl3Br+ CCl3.+ CCl3PhCH3Cl3CH + PhCH2.Cl3CBr + PhCH2.+ CCl3PhCH2Br3）自由基加成反应）自由基加成反应（1）加卤化氢）加卤化氢加加HBr, 得到反马氏规则产物。得到反马氏规则产物。加加HCl, 烯烃与烯烃与HCl的自由基加成比的自由基加成比HBr复杂。复杂。 .R+ HClRH +ClH = 5-10Kcal/mol.R-CH=CH2+ ClRCH-CH2Cln R-CH=CH2R-CH-CH2-(C

40、HR-CH2)n-ClHClR-CH2-CH2-(CHR-CH2)n-Cl 调调聚聚物物加加HI, HI键能小，易于产生自由基，但键能小，易于产生自由基，但I.与烯烃的与烯烃的C结合结合 较困难，需吸收较困难，需吸收7Kcal/mol以上的能量，故反应难进行。以上的能量，故反应难进行。加加HF, HF的均裂能很大，第一步难以进行，至今未发现的均裂能很大，第一步难以进行，至今未发现 HF的自由基加成。的自由基加成。（2） 加多卤代烷加多卤代烷 HCXYZ ( CBr4, CCl4, BrCCl3, BrCHCl2, CHCl3, CHBr3, CHI3, CHF3) 少于少于3个卤原子的卤代甲烷

41、不易加成。个卤原子的卤代甲烷不易加成。.hBrCCl3Br+ CCl3.R-CH=CH2.+ CCl3R-CH-CH2-CCl3BrCCl3R-CH-CH2-CCl3Br.+ CCl3（3）醛对烯烃的加成）醛对烯烃的加成 醛羰基上的醛羰基上的C-H键的均裂能近似于键的均裂能近似于C-Br键，用紫外光照射键，用紫外光照射或用过氧化物催化，能加到烯烃上，得到良好收率的酮。或用过氧化物催化，能加到烯烃上，得到良好收率的酮。但是由但是由，不饱和醛生成的自由基并不与烯烃加成，不饱和醛生成的自由基并不与烯烃加成，而是发生二聚反应。而是发生二聚反应。hRCHO.RCORCH=CH2R-CH-CH2-COR.

42、RCHOR-CH2-CH2-CORPhCHOh PhCO.PhCHOPh-CH-O-CO-PhPh-CH-O-CO-PhPh-CH-O-CO-Ph（4）酯对烯烃的加成）酯对烯烃的加成含有活泼含有活泼氢的酯，能与烯烃发生自由基加成。氢的酯，能与烯烃发生自由基加成。这类反应可用作有机合成上的增长碳链。这类反应可用作有机合成上的增长碳链。CH(CO2Et)2.CH2(CO2Et)2CH(CO2Et)2.+ RCH=CH2RCHCH2CH(CO2Et)2CH2(CO2Et)2RCH2CH2CH(CO2Et)2（5）分子内的加成）分子内的加成 Intramolecular Addition.CNCO2E

43、t.CNCO2EtCNCO2EtRH.CH2RHCH3StableUnstable热热力力学学控控制制产产物物动动力力学学控控制制产产物物4）自由基反应的立体化学和区域选择性）自由基反应的立体化学和区域选择性 Stereochemistry and Regioselectivity立体化学立体化学 自由基加成反应的有利方式为自由基加成反应的有利方式为反式加成反式加成。CH3HH3CH+ DBrCH3HH3CHDBr苏苏式式CH3HH3CH+ DBrCH3HH3CHDBr赤赤式式区域选择性区域选择性 对于二取代烯烃，自由基进攻的位置取决于取代基对对于二取代烯烃，自由基进攻的位置取决于取代基对新生

44、自由基的稳定化能力。新生自由基的稳定化能力。.R.+ XCH=CHYXCH-CHYR.XCH-CHYR+例例如如：BrCCl3对对 X-CH=CH-Y 的的加加成成XYXCH(CCl3)-CHYBr 收收率率（）MeCO2Et84CO2EtPh72CNPh56COCH3Ph57由以上结果可以得到如下取代基稳定化能力次序：由以上结果可以得到如下取代基稳定化能力次序：又又如如：C3H7CHO 对对 X-CH=CH-Y 的的加加成成XYXCH(C3H7CO)-CH2Y 收收率率（）MeCO2Et77MeCOOH83COOHCOOEt49COOEtCOCH356Ph RCO CN CO2Et COOH

45、 CH3 H四四.卡宾（碳烯卡宾（碳烯 ） (Carbenes) 卡宾中心碳原子为中性两价碳原子卡宾中心碳原子为中性两价碳原子,包含包含6个价电子个价电子,4个个价电子参与形成两个价电子参与形成两个 键键,其余两个价电子是游离的其余两个价电子是游离的.卡宾是卡宾是一类非常活泼的活性中间体一类非常活泼的活性中间体, 已知的卡宾有如下几类已知的卡宾有如下几类:CH2, :CHR, :CRR (R为烷基为烷基,芳基芳基,烯基或炔基烯基或炔基) :CHX, :CRX, :CXX(X为为F, Cl, Br, I) :CHY, :CRY, :CYY (Y为其它原子团如为其它原子团如:-OR, -SR, -

46、CN, -COOR, COR) (d) CR2=C:, CR2=C=C:卡宾的命名卡宾的命名 一般以一般以CH2为母体为母体, CH2 :卡宾卡宾, Cl2C: 二氯卡宾二氯卡宾, CH3COCH: 乙酰基卡宾乙酰基卡宾卡宾的结构卡宾的结构 卡宾碳原子只用两个分子轨道成键卡宾碳原子只用两个分子轨道成键,还剩下两个分子还剩下两个分子轨道容纳两个未成键电子轨道容纳两个未成键电子.电子在两个轨道中的填充有电子在两个轨道中的填充有两种可能两种可能: 三重态卡宾三重态卡宾 (triplet state)单重态卡宾单重态卡宾 (singlet state)CHHsp杂化,两个sp杂化轨道分别和两个氢原子成

47、键,两个p轨道各容纳一个电子,可以看作是双自由基形式,这是降低电子之间相互排斥的最有效填充方式线形结构CHH弯曲构型sp2杂化,其中两个sp2杂化轨道分别和两个氢原子成键,另一个sp2杂化轨道容纳两个未成键电子, 而p轨道是空的,因而单线态卡宾同时显示碳负离子的孤对电子和碳正离子的空轨道.这是降低三个电子对相互排斥的最有效形式2. 卡宾的生成卡宾的生成 a. 光或热分解反应光或热分解反应 Photodessociation or Thermodessociation b. 消除反应消除反应CH2N2hor:CH2, + N2Cl3CCO2NaMeOCH2CH2OMe150 CoCl2C: +

48、CO2+ NaClCH2=C=Ohor 700 Co:CH2+ COCHCl3t-BuO-Cl3C-Cl2C: + Cl-3. 卡宾的反应卡宾的反应 卡宾是非常活泼的中间体卡宾是非常活泼的中间体,容易发生反应容易发生反应, 由于是缺电子由于是缺电子的活泼中间体的活泼中间体, 一般是以亲电性为特征的一般是以亲电性为特征的. 反应活性的次序大致为反应活性的次序大致为: :CH2 :CR2 :CAr2 :CX2卡宾的典型反应主要有两类卡宾的典型反应主要有两类: a. 对对 C = C 键键的加成的加成 b. 对对 C H 键键的插入的插入X = Y+ :CCXY +:CXCYa) 加成反应加成反应

49、卡宾与碳卡宾与碳-碳双键加成则生成环丙烷衍生物碳双键加成则生成环丙烷衍生物, 这是卡宾最这是卡宾最典型的反应之一典型的反应之一.单线态卡宾单线态卡宾, 与烯烃的加成属协同加成机理与烯烃的加成属协同加成机理, 烯烃的立体烯烃的立体化学特征保持不变化学特征保持不变:H3CCHCHCH3+ :CH2CH3HCHCCH2CH3H3CCCCH3CH3CCCH2CH3HH+ :CH2HH顺式顺式三线态卡宾三线态卡宾, 具有双自由基性质具有双自由基性质,与烯烃的加成与烯烃的加成,无论是顺式无论是顺式还是反式烯烃还是反式烯烃, 都生成顺都生成顺/反产物的混合物反产物的混合物.选择性选择性: 卡宾与共轭二烯烃进

50、行加成反应时卡宾与共轭二烯烃进行加成反应时, 由于卡宾电子自旋状态由于卡宾电子自旋状态不同不同, 所得产物也不完全相同所得产物也不完全相同. 在没有溶剂时在没有溶剂时, 单线态卡宾与单线态卡宾与1,3-丁二烯加成丁二烯加成, 产物几乎全部产物几乎全部是乙烯基环丙烷是乙烯基环丙烷; 而在惰性气体存在下而在惰性气体存在下, 单线态卡宾经碰撞使单线态卡宾经碰撞使激发态去活化而形成基态的三线态激发态去活化而形成基态的三线态, 这时再与二烯进行加成这时再与二烯进行加成,则按双自由基的分步加成则按双自由基的分步加成,产物主要是环戊烯产物主要是环戊烯.卡宾也可以与炔烃卡宾也可以与炔烃, 环烯烃环烯烃,甚至与

51、苯环上的甚至与苯环上的 键进行加成反应键进行加成反应. .+:CH2CHCHCHCHCH2CH2CCH2重排CCHCH3+:CH2CCHCH2CH3CCHCH2CH3H2C:CH2+ + : :C CF F2 2F FF F+ +: :C CC Cl l2 2重排ClClHH-HClCl 卡宾对不饱和键的加成为合成卡宾对不饱和键的加成为合成带有功能基团的环丙烷带有功能基团的环丙烷提供提供了简单有效的方法了简单有效的方法; 其立体化学表现为其立体化学表现为透视卡宾的结构和了解透视卡宾的结构和了解反应历程反应历程提供了条件提供了条件.* 若加成产物为顺反混合物若加成产物为顺反混合物, 则可认为卡宾

52、为三线态则可认为卡宾为三线态(基态基态).* 若反应为立体专一性的若反应为立体专一性的,一般认为是单线态卡宾一般认为是单线态卡宾(激发态激发态)对对 不饱和键的协同反应不饱和键的协同反应.* 若用环状烯烃若用环状烯烃, 只能得到顺式双环只能得到顺式双环n,1,0.*若卡宾的两个取代基不同若卡宾的两个取代基不同,可得到至少两种可能的产物可得到至少两种可能的产物.+ + : :C CH2 2CH2HHCHCHRR+ :CHRRRHRRRHR+Synthesis 2006, No. 10, 16891696J. Org. Chem. 2003, 68, 7884-7886b) 插入反应插入反应 卡宾

53、可以在卡宾可以在C-H 键上进行插入反应键上进行插入反应,卡宾插到卡宾插到C-H键之间键之间, 不论单线态不论单线态卡宾还是三线态卡宾卡宾还是三线态卡宾, 其插入反应得到的产物是相同的其插入反应得到的产物是相同的. 这也是卡宾的主这也是卡宾的主要反应之一要反应之一, 但因其在不同的但因其在不同的C-H键上都可以插入键上都可以插入,因而在合成上意义不因而在合成上意义不大大.单线态卡宾的插入是按一步完成的协同历程进行单线态卡宾的插入是按一步完成的协同历程进行.三线态卡宾作为双自由基三线态卡宾作为双自由基,反应是分步进行的反应是分步进行的.首先夺取首先夺取H原子原子, 而后通而后通过自由基偶联两步完

54、成过自由基偶联两步完成.+ +: :C CH H2 2CHCHCH2CHCH2: :C CH H2 2+ +H HC CCH2H.C C. .+HCH2C单线态卡宾比较活泼单线态卡宾比较活泼. 对不同的对不同的C-H键只有很小的选择性键只有很小的选择性. 叔叔 : 仲仲 : 伯伯 = 1.5 : 1.2 : 1.0三线态卡宾比较稳定三线态卡宾比较稳定,有较大的选择性有较大的选择性. 叔叔 : 仲仲 : 伯伯 = 7 : 2 : 1不同的卡宾进行插入反应的活性也是不同的不同的卡宾进行插入反应的活性也是不同的, 活性次序为活性次序为:除了除了C-H 键可以进行插入反应外键可以进行插入反应外, 卡宾

55、还可以在卡宾还可以在C-Br, C-Cl,C-O 键上进行插入反应键上进行插入反应, 但但C-C键不能键不能.:CH2:CHCO2R:CHPh:CHBr:CHCl(CH3)3CCl:CH2(CH3)3CCH2Cl(CH3)2C-CH2CH2-HCl+c) 重排反应重排反应 卡宾可以发生分子内的重排卡宾可以发生分子内的重排, 通过氢通过氢, 芳基芳基,和烷基的迁移和烷基的迁移, 得到更稳定的化合物得到更稳定的化合物, 这也是卡宾常见的反应这也是卡宾常见的反应.CCH3CH2CH:HHCCH3CH3CH2HCCH3CH2CH2+1,2-迁移 66%1,3-迁移 33%ROHORClOSOCl2CH

56、2N2RCHN2OhRCH:Owolff重排RCH=C=OH2OAg2OR-CH2COOH4) 过渡金属卡宾络合物在有机合成中的应用过渡金属卡宾络合物在有机合成中的应用 过渡金属卡宾络合物化学是金属有机化学的前沿研究领过渡金属卡宾络合物化学是金属有机化学的前沿研究领域之一。卡宾作为活泼的二价碳衍生物已广泛用于有机合成。域之一。卡宾作为活泼的二价碳衍生物已广泛用于有机合成。过渡金属的一个显著特点是可以和作为配体的寿命短的分子过渡金属的一个显著特点是可以和作为配体的寿命短的分子结合并使其稳定，因而被迅速用于有机合成中并成为一类重结合并使其稳定，因而被迅速用于有机合成中并成为一类重要试剂和反应中间体

57、。要试剂和反应中间体。过渡金属卡宾络合物的类型、过渡金属卡宾络合物的类型、结构特征及反应性能结构特征及反应性能(CO)5CrOMePhFischer 型 到目前为止，几乎所有的过到目前为止，几乎所有的过渡金属均已被合成出相应的金渡金属均已被合成出相应的金属卡宾络合物。常见的卡宾络属卡宾络合物。常见的卡宾络合物为合物为Fischer型。型。Fischer型卡宾络合物结构特征：型卡宾络合物结构特征： a）含有从）含有从VI族到族到VIII族的金属，中心金属族的金属，中心金属以低价氧化态存在，同时被其他配体分子以低价氧化态存在，同时被其他配体分子（如（如CO）所稳定。）所稳定。 b）络合物中卡宾碳原

58、子的邻位含有杂原子，）络合物中卡宾碳原子的邻位含有杂原子，卡宾碳富亲电性。卡宾碳富亲电性。 c）X射线衍射研究表明，卡宾碳原子为射线衍射研究表明，卡宾碳原子为sp2杂化，有一个空杂化，有一个空P轨道，是缺电子的，它轨道，是缺电子的，它与金属及邻位杂原子之间均有明显的双键性与金属及邻位杂原子之间均有明显的双键性质。质。LnMCXYLnMCXYLnMCXYn(CO)MOMePhFischer 型a）强正电性的卡宾碳表现为亲电中心，为亲核试剂所进攻。）强正电性的卡宾碳表现为亲电中心，为亲核试剂所进攻。b）亲电试剂络合到卡宾碳邻位杂原子上。）亲电试剂络合到卡宾碳邻位杂原子上。c）卡宾配体的）卡宾配体的

59、碳原子上的碳原子上的H具有明显的酸性，故可被碱脱去具有明显的酸性，故可被碱脱去H原原 子形成金属卡宾负离子然后与一系列亲电试剂反应生成子形成金属卡宾负离子然后与一系列亲电试剂反应生成C-C键。键。d）络合物中的杂原子还可被亲核性更强的试剂取代。）络合物中的杂原子还可被亲核性更强的试剂取代。e）金属与卡宾之间的键也可发生断裂。）金属与卡宾之间的键也可发生断裂。f）络合物中配体（）络合物中配体（CO)也可以被其它配体取代也可以被其它配体取代。CrCCOCOCOCOCOCR2OR.H:B(c):Nu(a)E(b)(e)(d)(f)卡卡宾宾的的反反应应性性能能（2）金属卡宾络合物的制备）金属卡宾络合物

60、的制备a)从金属羰基化合物的制备从金属羰基化合物的制备 常用的亲核试剂为常用的亲核试剂为有机鋰有机鋰，它比格氏试剂更为有效。加，它比格氏试剂更为有效。加成速度取决于羰基的亲电性、空间因素和配体的种类。成速度取决于羰基的亲电性、空间因素和配体的种类。 优点：原料易得，大多数产物为固体，且在空气中较稳定，优点：原料易得，大多数产物为固体，且在空气中较稳定，产率高，易于操作。产率高，易于操作。 LmM(CO)nNu-Lm(CO)n-1ME+Lm(CO)n-1MNuOECNuO-CLmM(CO)nLm(CO)n-1MLm(CO)n-1MNuOMeCRO-CRLiMeOSO2F1) CH3COCl2)